Pengembangan Desain dan Pengoperasian Alat Produksi Gas Metana Dari pembakaran Sampah Organik

JURNAL PUBLIKASI Pengembangan Desain dan Pengoperasian Alat Produksi Gas Metana Dari pembakaran Sampah Organik Diajukan Untuk Memenuhi Tugas dan Syarat-syarat Guna Memeperoleh Gelar Sarjana Teknik Jurusan Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta Disusun oleh: RISKI NUGROHO D200090066 JURUSAN MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA SEPTEMBER 2013 1

Pengembangan Desain dan Pengoperasian Alat Produksi Gas Metana Dari Pembakaran Sampah Organik Riski Nugroho, Sartono Putro, Tri Tjahjono Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasuro e-mail: rhiezkhai@yahoo.com ABSTRAKSI Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan desain dan pengoperasian alat produksi gas metana dari sampah organik dengan cara dibakar sehingga desain ini dapat menutup kelemahan desain alat terdahulu serta mengetahui pengaruh pengadukan terhadap waktu nyala efektif gas metana dan jumlah kalor pendidihan air menggunakan bahan organik sekam padi, jerami dan sampah campuran daun basah dan kering. Alat produksi gas metana dalam penelitian ini dilengkapi dengan pengaduk yang terletak ditutup reaktor sehingga dalam proses pengadukannya tidak perlu membuka tutup reaktor pembakaran. Pembentukan gas menggunakan jenis thermal process gasification dan reaktor pembakaran menggunakan jenis updraft gasifier dan bahan yang digunakan adalah sekam padi, jerami, sampah campuran basah dan kering, masing-masing sebanyak 5 kg. Parameter yang diteliti adalah volume air, perubahan temperatur 1 liter air setiap dua menit serta lama waktu nyala efektif. Dari hasil uji alat produksi gas metana dari pembakaran setiap 5 kg sampah organik menunjukkan dengan menggunakan bahan sekam padi menghasilkan nyala efektif selama 44 menit, pengadukan 6 kali, kalor pendidihan air sebesar 656.900 Joule, dan daya sebesar 716.34 watt. Bahan jerami menghasilkan nyala efektif selama 24 menit, pengadukan sebanyak 5 kali, kalor pendidihan air sebesar 272.000 Joule dan daya sebesar 237.17 watt. Bahan sampah campuran basah dan kering menghasilkan nyala efektif 16 menit, pengadukan 6 kali, kalor pendidihan air sebesar 129.400 Joule dan daya sebesar 182.71 watt. Berdasarkan hasil pengujian alat produksi gas metana yang telah dilakukan diperoleh bahwa bahan paling bagus yaitu sekam padi yang mampu menghasilkan daya sebesar 716,34 watt. Kata Kunci: Desain, Updraft gasifier, Gas Metana, Sampah Organik 2

PENDAHULUAN Latar Belakang Sampah merupakan suatu penyebab pencemaran lingkungan dan polusi udara. Masalah yang sering muncul dalam penanganan sampah adalah masalah biaya operasional yang tinggi. Penanganan sampah yang selama ini ada sebagian besar ditangani dengan cara yang kurang efisien dan tidak mempertimbangkan segi ekonomisnya, untuk meningkatkan efektifitas dan efisiensi yang tinggi dalam penanganan sampah maka dalam pengelolaannya harus menerapkan metode atau cara yang tepat akurat. Putra, R.P. (2011), melakukan penelitian tentang alat produksi gas metana dari sampah organik dengan variasi bahan sampah basah kebun, sampah kulit bawang dan sampah kering kebun. Alat reaktor pembakaran sampah tersebut masih terdapat banyak kelemahan. Diantaranya yaitu tutup reaktor dirancang berbentuk kerucut agar kerugian-kerugian gas akibat gesekan bisa dikurangi sehingga dapat mengalir lebih efektif menuju saluran aliran gas. Dalam proses pengadukan sampah dalam reaktor pembakaran masih harus membuka penutupnya, sehingga alat reaktor pembakaran dalam penelitian ini ditambahkan pengaduk yang terletak pada tutup reaktor pembakaran, supaya dalam proses pengadukan tidak perlu membuka tutup reaktor pembakaran.. Selain memperbaiki kelemahan yang sudah ada, Penelitian ini juga bertujuan untuk mendapatkan pedoman cara pengoperasian reaktor dari pembakaran sampah organik dengan variasi bahan sampah organik sekam padi, jerami dan campuran daun basah dan kering. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian yang dilakukan yaitu: 1. Mendapatkan desain reaktor pembakaran pada alat produksi gas metana dari pembakaran untuk bahan organik sekam padi, jerami dan sampah campuran basah dan kering, 2. mendapatkan pedoman pengoperasian reaktor pembakaran untuk bahan organik sekam padi, jerami dan sampah campuran daun basah dan kering. Tinjauan Pustaka Yulianto (2011), mendesain dan melakukan pengujian alat produksi gas metana dari sampah organik dengan variasi debit udara pembakaran 0,026 m 3 /s, 0,023 3

m 3 /s dan 0,020 m 3 /s. Pengujian diawali dengan perakitan instalasi alat produksi gas metana dengan bahan bakar sampah organik jenis sekam padi. Bahan tersebut dibakar dalam reaktor pembakaran dengan tujuan memperoleh pembakaran yang tak sempurna dan melalui beberapa tahapan kembali sampai pada akhirnya menjadi gas metana yang siap digunakan sebagai bahan bakar kompor. Hasil pengujian dengan debit udara pembakaran 0.023 m3/s dapat menyala selama 184 menit dan nilai kalor pendidihan 8296,4 kj pada debit udara 0.026 m3/s dapat menyala selama 152 menit dan nilai kalor pendidihan 6222,3 kj sedangkan dengan debit udara 0.020 m3/s dapat menyala selama 124 menit dengan nilai kalor 5392,7 kj. Syawal, I. ( 2011), mendesain alat produksi gas metana dengan jenis thermal prosess gasification dan bahan yang digunakan adalah tempurung kelapa, sekam padi dan serbuk gergaji kayu. Bahan tersebut dibakar dalam reaktor pembakaran dengan tujuan memperoleh pembakaran yang tak sempurna dan melalui beberapa tahapan kembali sampai pada akhirnya menjadi gas metana yang siap digunakan sebagai bahan bakar kompor. Penelitian ini menghasilkan alat produksi gas metana yang berbahan dasar plat besi dengan spesifikasi sebagai berikut :reaktor pembakaran dengan dimensi tinggi 0,87 m, diameter 0,57 m dan massa kosong 40 kg. Putra, R.P. (2011), perancangan konstruksi reaktor sampah dengan penambahan kawat kasa sebagai pembantu distribusi udara dan cara pengolahan sampah organik menjadi energi serta pengukuran waktu nyala efektif dan jumlah kalor yang dihasilkan gas metana dari sampah organik berupa sampah basah kebun, sampah kulit bawang dan sampah kering kebun dengan jenis thermal prosess gasification dengan spesifikasi sebagai berikut : reaktor pembakaran dengan dimensi tinggi 0,87 m, diameter 0,57 m, tinggi kawat kasa 0,5 m, diameter kawat kasa 0,03 m dan massa kosong 40 kg. Gumanti, A.H. (2012), melakukan penelitian tentang studi kandungan tar pada updraft gasifier dengan double syngas outlet menggunakan bahan bakar kayu karet yang bertujuan mengurangi kandungan tar pada updraft gasifer dengan cara mengeluarkan gas produk melalui dua outlet gas, yaitu outlet bawah pada daerah reduksi dan outlet atas pada daerah gasifikasi. Hasil yang didapat yaitu jumlah kandungan tar bergantung pada temperatur gasifier dan residence time dari gas, jumlah kandungan outlet atas lebih tinggi dari outlet bawah. 4

Irawan, A. dkk (2012), melakukan penelitian tentang pengaruh tinggi dan kerapatan unggun terhadap kualitas pembakaran gas produser dari gasifikasi skala rumah tangga. Adapun tujuanya adalah mengamati pengaruh tinggi dan kerapatan unggun terhadap kualitas pembakaran gas produser hasil gasifikasi sekam padi. Parameter kualitas pembakaran adalah pengukuran temperatur lidah api dengan posisi tetap. Waktu tahan temperatur di atas 500 C menjadi standar kualitas proses gasifikasi sekam padi yang dipengaruhi oleh kerapatan dan tinggi unggun sekam padi. Pengujian dilakukan menggunakan kompor gasifikasi skala rumah tangga yang mampu memuat sekam padi 1000 g. variasi tinggi unggun adalah 25, 40, dan 55 cm serta kerapatan unggun 85, 95, dan 105 kg/m 3. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kualitas pembakaran gas produser dipengaruhi oleh tinggi dan kerapatan unggun. DASAR TEORI Gasifikasi Gasifikasi adalah suatu proses perubahan bahan bakar padat secara termokimia menjadi gas, dimana udara yang diperlukan lebih rendah dari udara yang digunakan untuk proses pembakaran. Jenis reaktor gasifikasi berdasarkan arah aliran: 1. Updraft gasifier 2. Downdraft gasifier 3. Crossdraft gasifier Proses-proses dalam reaktor gasifikasi: 1. Proses pengeringan 2. Proses pirolisis 3. Proses Reduksi 4. Proses Oksidasi Keunggulan dari gasifikasi 1. Mampu menghasilkan produk gas yang konsisten 2. Mampu memproses beragam input bahan bakar 3. Mampu mengubah sampah yang bernilai rendah menjadi produk yang bernilai lebih tinggi. Pembakaran Pembakaran adalah reaksi cepat suatu senyawa dengan oksigen disertai dengan pembebasan kalor atau panas dan cahaya. Berdasarkan gas sisa yang dihasilkan, pembakaran dibedakan menjadi dua macam, yaitu: 1. Pembakaran sempurna (complete combustion), terjadi apabila bahan bakar yang mengandung unsur C, H dan S bereaksi membentuk CO 2 dan H 2 O. 2. Pembakaran tidak sempurna, terjadi apabila proses 5

pembakaran bahan bakar menghasilkan karbon monoksida (CO) dimana disebabkan oleh kurangnya persediaan oksigen. Kalor Kalor adalah salah satu bentuk energi. Didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Kalor dapat ditimbulkan dari energi gerak, energi listrik, energi kimia dan sebagainya. Kalor dapat berpindah dari suatu benda ke benda lain. Kalor dapat diukur menggunakan pendekatan dari kalor yang diperlukan untuk mendidihkan air.: Q = m x h...(1) Dimana: Q = Jumlah kalor, (Joule) m = Massa, (kg) h= (hf 2 hf 1 Enthalphi pendidihan air (kj/kg) Daya Daya dalam fisika adalah laju energi yang dihantarkan atau kerja yang dihasilkan per satuan waktu. Mengikuti definisi ini daya dapat dirumuskan sebagai berikut: W =..(2) Dimana: W = Daya, (Watt) t = Satuan waktu (s) Gas Metana Metana adalah hidrokarbon yang sederhana berbentuk gas dengan rumus kimia CH 4.. Gas metana bersifat tidak berbau, tidak berwarna dan sangat mudah terbakar. Gas metana hanya mudah terbakar bila konsentrasinya mencapai 5-15% diudara. Metodologi Penelitian Diagram alir penelitian Pembuatan desain alat Proses Pembuatan alat Uji pembakaran sampah organik pada reaktor pembakaran Sekam padi Jerami Debit udara, Waktu pengadukan serta Jumlah pengadukan, Temperatur air, Volume air, dan Lama nyala efektif Pembuatan Laporan Campuran daun basah dan kering Analisis Data dan Penarikan Kesimpulan Gambar 1. Diagram alir penelitian 6

Alat dan Bahan Penelitian 1. Reaktor pembakaran sampah pada reaktor pembakaran. Alat ini digunakan untuk tempat proses pembakaran sampah organik. Gambar 4. Pengaduk 4. Tangki absorber Alat ini digunakan untuk mengurangi senyawa TAR pada gas metana (pemurnian gas). Gambar 2. Reaktor pembakaran 2. Tutup reaktor pembakaran Alat ini digunakan sebagai penutup reaktor pembakaran dan pengarah aliran gas asap pembakaran. Gambar 5. Tangki absorber 5. Kompor modifikasi Alat ini digunakan untuk membakar gas metana. Gambar 3. Tutup reaktor 3. Pengaduk Alat ini digunakan untuk membantu proses sirkulasi 6. Blower Gambar 6. Kompor 7

Alat ini digunakan untuk menyuplai udara ke dalam ruang bakar. Alat ini digunakan untuk mencatat waktu pengambilan data. Gambar 7. Blower 7. Anemometer digital Alat ini digunakan untuk mengukur kecepatan aliran udara dari blower. Gambar 10. Stopwatch digital 10. Thermometer Alat ini digunakan untuk mencatat perubahan temperatur air. Gambar 11. Thermometer 11. Gelas ukur Gambar 8. Anemometer digital 8. Timbangan analog Alat ini digunakan untuk mengukur volume liquid smoke hasil pembakaran. Alat ini digunakan untuk menimbang berat bahan bakar yang akan digunakan. Gambar 12. Gelas ukur Gambar 9. Timbangan analog 9. Stopwatch digital 12. Bahan penelitian yang digunakan sekam padi, jerami dan sampah campuran daun basah dan kering. 8

Instalasi Pengujian Gambar 14. Instalasi alat pembakaran sampah organik Keterangan gambar: 1. Blower 2. Pintu abu 3. Reaktor pembakaran 4. Tutup reaktor 5. Pengaduk 6. Pipa 7. Tangki absorber 8. Antisipator ledakan 9. Katup/kran 10. Kompor Langkah Penelitian Langkah-langkah dalam melakukan penelitian terhadap karakteristik gas metana yang dihasilkan dari sampah organik yaitu campuran daun basah dan kering, jerami dan sekam padi. secara garis besar dapat dijelaskan sebagai berikut : 1. Menimbang bahan bakar sampah organik yaitu sampah campuran daun basah dan kering yang akan digunakan sebagai bahan penelitian yaitu sebesar 5 kg 2. Membagi setiap bahan bakar yang berupa bahan organik yaitu sampah campuran daun basah dan kering menjadi tiga bagian yaitu 2 kg, 1.5 kg, dan 1.5 kg 3. Mengisi air pada tangki absorber sampai 80-90% dari volume tangki 4. Membuat bara api dari arang maupun kayu bakar di dalam reaktor pembakaran 5. Mengatur debit udara pada blower untuk menyuplai udara ke dalam ruang bakar yang telah ditentukan 6. Memasukkan bahan organik berupa sampah campuran daun basah dan kering ke dalam reaktor pembakaran dan tunggu sampai asap tebal dan berwarna agak kekuningan 7. Menutup reaktor pembakaran dengan rapat dan membuka kran untuk mengurangi tekanan di dalam reaktor 8. Membuat nyala api pada kompor dengan korek api. 9. Merebus air dengan volume satu liter. 10. Mengambil data kenaikan temperatur satu liter air setiap dua menit. 11. Melakukan pengadukan pada alat reaktor pembakaran sampah saat nyala api mulai redup sampai nyala api kembali stabil serta mencatat waktu pengadukan. 9

12. Mengukur volume cairan gas asap pembakaran yang dihasilkan setiap 5 kg. 13. Melakukan percobaan yang sama untuk penelitian bahan selanjutnya yaitu jerami dan sekam padi dengan mengganti bahan organik yang digunakan. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 15. Grafik Hubungan antara temperatur air dengan waktu pendidihan gasifikasi 5 kg pada bahan organik sekam padi, jerami dan sampah campuran basah dan kering Pada bahan sekam padi pengoperasian pengaduk dilakukan sebanyak 6 kali yaitu pada saat nyala api redup yang terjadi pada menit ke 10, 18, 24, 32, 42 dan 44. Penambahan bahan bakar sebanyak 2 kali saat nyala api mati pada menit ke 18 dan 32, masing-masing sebesar 1,5 kg dan diperoleh waktu nyala efektif selama 44 menit, sedangkan dengan bahan jerami pengoperasian pengaduk dilakukan sebanyak 5 kali yaitu pada menit ke 6, 10, 14, 18 dan 24. Penambahan bahan bakar sebanyak 2 kali saat menit ke 10 dan 18, masing-masing sebesar 1,5 kg dan diperoleh waktu nyala efektif selama 24 menit. Untuk bahan sampah campuran basah dan kering pengoperasian pengaduk dilakukan sebanyak 6 kali yaitu pada menit ke 4, 6, 10, 12, 14 dan 16. Penambahan bahan bakar sebanyak 2 kali pada menit ke 6 dan 12, masingmasing sebesar 1,5 kg dan diperoleh waktu nyala efektif selama 16 menit. 10

Daya (Watt) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Sekam Padi Jerami Sampah Campuran Basah dan Kering Gambar 17. Grafik Perbandingan laju energi bahan organik sekam padi, jerami dan sampah campuran basah dan kering pada gasifikasi 5 kg Berdasarkan gambar 17 diatas maka daya yang dihasilkan setiap bahan berbeda-beda. Sekam padi menghasilkan daya paling tinggi yaitu sebesar 716,34 watt, jerami sebesar 237,17 watt dan sampah campuran basah dan kering menghasilkan daya paling rendah yaitu sebesar 182,71 watt. Hasil diatas dapat dicari dengan menggunakan rumus pendekatan kalor dan daya yang dihasilkan dari pendidihan air: Bahan sekam padi pendidihan air ke satu: Mencari Kalor yang dihasilkan: m = 1 kg T 1 = 27 C, = hf 1 = 113,3 kj/kg T 2 = 95 C, = hf 2 = 397,9 kj/kg Q = m x h = m x (hf 2 hf 1 ) = 1 kg x (397,9 kj/kg 113,3kJ/kg) = 284,6 kj = 284.600 Joule Mencari Daya yang dihasilkan: W = = = 296,46 Watt Analisa perhitungan pada percobaan selanjutnya, rumus dan langkah-langkah perhitungan sama 10

100 90 Air ke-1 (pengaduk) Temperatur ( C) 80 70 60 50 40 Air ke-2 (Pengaduk) Air ke-3 (Pengaduk) Air ke-1 (Tanpa pengaduk) 30 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Waktu(Menit) Air ke-2 (Tanpa Pengaduk) Gambar 18. Hubungan antara temperatur air dengan waktu menggunakan pengadukan dan tanpa pengadukan pada gasifikasi 5 kg sekam padi Berdasarkan gambar 18 diatas maka dengan dilakukanya pengadukan pada reaktor pembakaran diperoleh hasil yang lebih baik dibandingkan tanpa pengadukan. Pada bahan sekam padi dengan dilakukanya pengadukan akan mempercepat proses pembentukan gas metana, sehingga konsentrasi gas metana meningkat yang menyebabkan nyala efektif kompor dapat bertahan lebih lama dan menghasilkan 2 kali percobaan pendidihan air pada suhu 95 C dan 1 kali percobaan air tidak sampai mendidih yaitu hanya mencapai suhu 47 C, nyala selama 44 menit. Sedangkan tanpa pengadukan menghasilkan percobaan sebanyak 2 kali pada suhu 95 C dan diperoleh nyala efektif selama 36 menit. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1. Alat produksi gas metana terdiri dari 3 alat utama yaitu reaktor pembakaran, tangki absorber dan pengaduk. a. Spesifikasi reaktor pembakaran: Tinggi albakos: 810 mm Massa kosong: 40 kg Tinggi ruang bakar: 530 mm Tinggi pengaman: 50 mm 11

Diameter reaktor: 570 mm b. Spesifikasi tangki absorber Tinggi tangki: 520 mm Diameter tangki: 280 mm Berat kosong: 10 kg Diameter lubang asap: 19 mm Jumlah lubang: 3 c. Spesifikasi pengaduk Tinggi tongkat pengaduk: 860 mm Diameter tongkat pengaduk: 23 mm Tinggi pengaduk: 490 mm Tebal pengaduk: 10 mm. 2. Pengoperasian alat produksi gas metana dengan menggunakan bahan organik sekam padi, jerami dan sampah campuran daun basah dan kering didapat hasil sebagai berikut: a. Bahan sekam padi menghasilkan nyala efektif selama 44 menit, pengadukan 6 kali, kalor pendidihan air sebesar 656.900 Joule, dan daya sebesar 716.34 Watt. b. Bahan jerami menghasilkan nyala efektif selama 24 menit, pengadukan sebanyak 5 kali, kalor pendidihan air sebesar 272.000 Joule dan daya sebesar 237.17 Watt. c. Bahan sampah campuran basah dan kering menghasilkan nyala efektif 16 menit, pengadukan 6 kali, kalor pendidihan air Saran sebesar 129.400 Joule dan daya sebesar 182.71 Watt. 1. Reaktor menggunakan jenis downdraft gasifier agar mendapatkan gas metana lebih bersih dengan kandungan TAR rendah. 2. Untuk menghilangkan partikel padatan digunakan metode syclone 3. Ditambahkan pendingin sebelum gas producer digunakan. 4. Pada saat pengujian hendaknya kondisi lingkungan harus sama untuk menjaga kualitas data pengujian dan dilakukan didalam ruangan agar tidak terganggu lingkungan sekitar yaitu pengaruh angin. 5. Pengujian berikutnya untuk diukur temperatur api pada setiap zona di reaktor pembakaran. 13

DAFTAR PUSTAKA Alberty, R.A, Daniels, F., 1987, Kimia Fisika, Terj. Surdia M.N., Erlangga, Jakarta. Anonim, Biogas, Diakses 28 Maret 2013 jam 09.00 WIB http://id.wikipedia.org/wiki/biogas Anonim, Metana, Diakses 28 Maret 2013 jam 09.10 WIB http://id.wikipedia.org/wiki/biogas Baltyra, 2012, Gasifikasi Biomassa untuk Energi Alternatif, Diakses 27 Maret 2012 jam 08.03 WIB www.baltyra.com Cahyono, Danan Eko, 2012, Biomass Machinery, Diakses 28 April 2013 jam 19.24 WIB, http://dananekocahyono.blogspot.com DjokoSetyardjo, 2003, Ketel Uap, PT Total Grafika, Jakarta. Jakarta. Erliza, H., dkk, 2007, Teknologi Bioenergi, PT Agromedia Pustaka, Jakarta. Gumanti, A.H., 2012, Studi Kandungan Tar pada Updraft-Gasifier dengan Double Syngas Outlet menggunakan Bahan Bakar Kayu Karet, Tugas Akhir S-1 Teknik Mesin Universitas Indonesia, Depok. Holman, J.P., 1980, Thermodinamics, McGraw-Hill, Tokyo. Irawan, A., Alwan, H., Mustika, F., 2012, Pengaruh Tinggi dan Kerapatan Unggun terhadap Kualitas Pembakaran Gas Produser dari Gasifikasi Skala Rumah Tangga, Jurnal Teknik Kimia Indonesia vol. 11 No.3 (Desember 2012), p. 166-172. Diakses 27 Maret 2013 http://jtki.aptekindo.org/index.php/jtki/jurnal/view/132/pdf Putra, R.P., 2011, Rancang Bangun dan Pengujian Alat Produksi Gas Metana dari Sampah Organik dengan Variasi Bahan Sampah basah Kebun, Sampah Kulit Bawang dan Sampah Kering Kebun, Tugas Akhir S-1 Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, Surakarta. 12

Syawal, I., 2011, Rancang Bangun dan Pengujian Alat Produksi Gas Metana dari Sampah Organik dengan Variasi Bahan Tempurung Kelapa, Sekam Padi, dan Serbuk Gergaji Kayu, Tugas Akhir S-1 Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, Surakarta. 13